XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированное устройство для очистки солнечных батарей на базе конструктора Lego Wedo 1.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Легеза В.М. 1Краснов К.Д. 1Ермолаев В.М. 1Куркин Е.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

4.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На сегодняшний день в современном мире люди все чаще и чаще обращаются к нетрадиционным источникам энергии: солнце, ветер, вода, приливы и отливы, геотермальная энергия. Мы за экологию! Поэтому в своем проекте тоже решил использовать возобновляемые источники энергии: ветер и солнце.

В нашем проекте мы создали «Зеленый район». В нем мы установили солнечные батареи на крыше домов, а рядом автоматическое очистительное устройство. Ведь если не убирать пыль, которая скапливается на солнечных батареях, то их продуктивность снизится на 50 процентов.

Наш проект заключается в том, чтобы внедрить автоматизированное устройство для очистки солнечных батарей. По нашему мнению это увеличит подачу электроэнергии в дома и улучшит экологию в мире.

Цель исследования:ознакомление с различными способами получения электрической энергии и разработка автоматических устройств для очистки солнечных батарей с помощью конструктора LeGo WeDo 1.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию об электроэнергии;

2. Познакомится со способами получения электроэнергии;

3. Изучить плюсы и минусы солнечных батарей;

4. Посетить экскурсию в энергетической компании «СУЭНКО;

5. Создать автоматизированное устройство для очистки солнечных батарей на базе конструктора Lego Wedo 1.0;

6. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашей модели.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Что такое электроэнергия и для чего она нужна?

Ежедневно нас окружает одно из важнейших изобретений всех времен – электричество.

Без электричества представить нашу современную жизнь практически невозможно. Как можно обойтись без освещения и тепла, без электродвигателя и телефона, без компьютера и телевизора? Электричество настолько глубоко проникло в нашу жизнь, что мы порой и не задумываемся, что помогает нам в работе.

Что же такое электроэнергия?

Энергией называют способность кого-либо или чего-либо совершать некоторое возможное для него количество работы [4].

Энергия никогда не возникает из ничего и не исчезает бесследно. Она может изменяться и переходить из одной формы в другую, при этом часть ее обязательно превращается в тепло и рассеивается. Поэтому энергию надо беречь.

Электроэнергия – это поток заряженных частиц двигающихся по проводнику в замкнутой цепи от источника тока к потребителю. Двигаясь, поток частиц выполняют определённую работу.

Проводник – это вещество, способное проводить электрический ток (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Силу электрического тока можно измерить. Единица измерения силы тока — Ампер, получила своё название в честь французского ученого, который первым исследовал свойства тока. Имя ученого-физика – Андре Ампер [4].

Электричество – это наш друг. Оно помогает нам во всём. Утром мы включаем свет, электрический чайник. Ставим подогревать пищу в микроволновую печь. Пользуемся лифтом. Едем в трамвае, разговариваем по сотовому телефону. Трудимся на промышленных предприятиях, в банках и больницах, на полях и в мастерских, учимся в школе, где тепло и светло. И везде «работает» электричество. Но откуда оно берется и как попадает к нам в дома и на различные предприятия? (Рисунок 1.1.2, Приложение).

1. 2. Способы получения электроэнергии

Генерация электричества — процесс получения электроэнергии из источников первичной энергии. Особенностью электричества является то, что оно не является первичной энергией, свободно присутствующей в природе в значительных количествах, и ее необходимо производить. Производство электричества происходит, как правило, с помощью генераторов на промышленных предприятиях, которые называются электростанциями [5].

Основные способы получения электроэнергии:

Гидроэлектростанция (ГЭС) - электростанция, в качестве источника энергии использующая энергию водного потока.

Гидроэлектростанции обычно строят на реках, сооружая плотины и водохранилища. Для эффективного производства электроэнергии на ГЭС необходимы 2 основных фактора: круглогодичная гарантированная обеспеченность водой и наличие больших уклонов реки (Рисунок 1.2.1, Приложение) [6].

Тепловая электростанция (ТЭС) – это тип электростанции, который генерирует электроэнергию путем сжигания топлива, такого как уголь, газ или нефть, чтобы создать пар, направляемый на паровую турбину. Паровая турбина затем приводит в движение генератор, который производит электричество.

Тепловые электростанции являются одним из наиболее распространенных типов электростанций в мире, особенно в странах с большими запасами угля и других невозобновляемых источников энергии. Однако они являются значительным источником выбросов углекислого газа, что способствует изменению климата (Рисунок 1.2.2, Приложение) [7].

Атомная электростанция (АЭС) - ядерная установка, использующая для производства электрической (и в некоторых случаях тепловой) энергии ядерный реактор (реакторы) и содержащая комплекс необходимых сооружений и оборудования (Рисунок 1.2.3, Приложение) [8].

Геотермальная электростанция (ГеоЭС или ГеоТЭС) – один из видов электростанций, которые преобразуют тепловую – геотермальную энергию подземных источников (например, гейзеров) в электрическую энергию.

Геотермальная энергия относится к альтернативным и возобновляемым источникам энергии. Такая энергия в виде тепла может использоваться как непосредственно для обогрева домов и зданий, так и для производства электроэнергии (Рисунок 1.2.4, Приложение) [9].

Ветроэлектростанция (ВЭС) - это несколько ветрогенераторов, собранных в одном или нескольких местах и объединенных в единую сеть. Иногда ветровые электростанции называют ветропарками.

ВЭС используют для выработки электричества энергию ветра. Они могут обладать различной мощностью. Крупные ветровые электростанции могут состоять из 100 и более ветрогенераторов. Они способны питать крупные населенные пункты (Рисунок 1.2.5, Приложение) [10].

Приливные электростанции (ПЭС) – особый вид гидроэлектростанций, работающих за счет энергии, возникающей при приливах. Возникновение энергии основано на глобальных естественных процессах, связанных со сменой гравитационного воздействия Луны и Солнца. Такой способ получения электроэнергии мало распространен в мире и до недавнего времени рассматривался как экспериментальный. В последние годы произошел небольшой скачек, связанный с открытием нескольких приливных электростанций (Рисунок 1.2.6, Приложение) [11].

Солнечные электростанции - инженерное сооружение, служащее преобразованию солнечной радиации в электрическую энергию [12].

Способы преобразования солнечной радиации различны и зависят от конструкции электростанции.

СЭС, использующие фотобатареи, в настоящее время очень распространены, так как в общем случае СЭС состоит из большого числа отдельных фотобатарей различной мощности и выходных параметров.

Данные СЭС широко применяются для энергообеспечения как малых, так и крупных объектов (частные коттеджи, пансионаты, санатории, промышленные здания).

Устанавливаться фотобатареи могут практически везде, начиная от кровли и фасада здания и заканчивая специально выделенными территориями.

Установленные мощности тоже колеблются в широком диапазоне, начиная от снабжения отдельных насосов, заканчивая электроснабжением небольшого поселка (Рисунок 1.2.7, Приложение).

Все вышеперечисленные способы получения электроэнергии на сегодняшний день активно используются во всем мире и обеспечивают огромное количество территорий электроэнергией. Но также все они имеют определенные преимущества и недостатки.

Нас с командой заинтересовал способ получения энергии с помощью солнца. Поэтому мы подробнее изучили именно его.

1. 3. Плюсы и минусы солнечных батарей

Солнечная батарея - это источник постоянного электрического тока от преобразованной энергии солнца при помощи фотоэлементов. Фотоэлементы -электронный прибор, который преобразует энергию света в электрическую энергию.

Принцип работы солнечной батареи основан на том, что в двух кремниевых пластинах, покрытых разными веществами (бором и фосфором), под действием солнечного света возникает электрический ток. В пластине, которая покрыта фосфором, появляются свободные электроны. Отсутствующие частицы образуются в тех пластинах, которые покрыты бором.

Электроны начинают двигаться под действием света солнца. Так образуется электрический ток в солнечных батареях. Тонкие жилы из меди, которыми покрыта каждая батарея, отводят от нее ток и направляют по назначению. С помощью одной пластины можно питать энергией небольшую лампочку (Рисунок 1.3.1, Приложение) [14].

Постепенно происходит внедрение солнечной батареи во многие отрасли жизнедеятельности человека.

Например, солнечные батареи используются:

• В автомобилестроении;

• В промышленных объектах;

• В сельском хозяйстве;

• На военно-космических объектах;

• В бытовых нуждах.

Одним из первых вариантов появления прибора с солнечной батареей был калькулятор, способный работать только при попадании на его фотоэлемент солнечных лучей. Сейчас солнечными батареями оснащают некоторые модели походных рюкзаков. Они служат источником света, электричества в условиях отсутствия цивилизации.

К преимуществам использования солнечной батареи относят:

• электроэнергия, поставляемая от энергии солнца, бесплатная;

• работа солнечной батареи не связана с выбросом вредных веществ в атмосферу;

• установка системы солнечной батареи является быстрой;

• простота эксплуатации.

К недостаткам относят:

• Дорогая установка;

• маленькие фотоэлементы не обеспечивают всех потребностей в электроэнергии одной семьи;

• эффективность их работы зависит от погодных условий, температуры на улице и степени нагрева солнечной батареи;

• грамотного выбора всех комплектующих для обеспечения требуемых параметров;

• мощности потока света;

• ориентации солнечной батареи к положению Солнца;

• чистоты панелей.

Мы с командой решили более подробно рассмотреть проблему чистоты солнечных панелей, как и почему они загрязняются. Влияет ли данных фактор на работу панелей. И есть ли какие-то способы очистки.

Пыль, грязные потёки, птичий помёт и сажа из дымохода со временем накапливаются на поверхности панелей. Медленно, но верно, это сказывается на общей мощности системы. Зазоры между модулями — также обязательно накапливают грязь, листья и другой мусор.

Данные факторы на 50 процентов снижают работу и эффективность подачи электричества у солнечных батарей.

Чаще всего люди лишь несколько раз в год обрабатывают поверхность панелей водой из шланга и протирают мягкой безворсовой щёткой. Но если рядом есть промышленные предприятия или автомобильные дороги, то пыль накапливаться гораздо быстрее, поэтому и мойку необходимо делать почаще.

Вариантом решения данной проблемы является наше разработанное автоматизированное устройство для очистки солнечных батарей (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Глава 2. Экскурсия в энергетическую компанию «СУЭНКО»

Мы начали изучать тему электрической энергии еще в декабре 2022 года. И первым делом, чтобы придумать свое инновационное решение, мы отправились всей командой на экскурсию в энергетическую компанию «СУЭНКО» (Рисунок 2.1, Приложение).

Мы с командой побывали на учебном полигоне СУЭНКО, где расположены макеты распределительных сетей с опорами различного исполнения, трансформаторная подстанция, линии электропередач.

Экскурсоводы рассказали нам про учебные установки высоковольтных линиям электропередач (ЛЭП), огромные трансформаторы, станции по обслуживанию, про главные машины: генератор и трансформатор (Рисунок 2.2, Приложение).

Мы узнали, что электрический ток передается в дома по ЛЭП по воздуху и по кабелям под землей. Узнали про электромеханические и электронные реле для безопасной передачи электроэнергии.

Увидели защитный костюм специалиста по работе с линиями электропередач, узнали об оказании первой медицинской помощи, при поражении электрическим током (Рисунок 2.3, Приложение).

Также специалисты энергетической компании СУЭНКО рассказали нам об альтернативных источниках энергии, в том числе и об использовании солнечной энергии. Мы узнали, что за солнечными батареями нужен уход, их необходимо регулярно очищать от пыли и грязи, что является довольно проблематичным.

Глава 3. Создание модели автоматизированного устройства для очистки солнечных батарей на базе конструктора Lego Wedo 1.0

3.1 Внешний вид модели

После подробного изучения темы электрической энергии, мы с командой перешли к созданию своего проекта.

Наш проект мы создавали с помощью конструктора LeGo City, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 1.0.

Сначала мы разработали устройство для очистки солнечных батарей и две солнечные батареи (Рисунок 3.1.1, Приложение).

После мы приступили к созданию жилых домов и детской площадки:

• В проекте сконструированы два дома. На обоих есть солнечных батареи и специальное очистительное устройство. А также две установки, которые имитируют выбросы пыли или других отходов на солнечные батареи (Рисунок 3.1.2, Приложение);

• Возле домов мы сконструировали детскую площадку. Она включает в себя песочницу для малышей, зону отдыха (крытая веранда с лавочками), несколько качелей и каруселей (Рисунок 3.1.3, Приложение);

• На детской площадке также присутствует ветрогенератор, который расположен на крыше зоны отдыха. Именно он запускает работу двух каруселей на детской площадке (Рисунок 3.1.4, Приложение).

В целом наш проект представляет собой вид небольшого экологического района, в котором электричество вырабатывается с помощью альтернативных источников энергии – солнце и ветер (Рисунок 3.1.5, Приложение).

3.2 Особенности движения модели

Чтобы наша модель была автоматизированной, мы добавили механические передачи, моторы и датчики.

Для начала мы с командой разработали систему движения очистительных устройств. Они работают с помощью реечной передачи. Мотор вращает маленькое зубчатое колесо (8 зубчиков), оно передает движение рейкам, которые установлены на специальную платформу. Платформа с очистительными устройствами скользит по крыше, очищая в это время солнечные батареи от пыли. Чтобы очищение было более эффективным, платформа движется медленно, проходя по батареям несколько раз (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Установка с очистительными устройствами должна двигаться автоматически, после выброса грязи и пыли на батареи. Для этого мы установили датчик наклона на дверцы конструкции, имитирующие данное загрязнение. Конструкции содержат в себе различные мелкие детальки, которые, после запуска второго мотора, с помощью повышающей зубчатой передачи (средняя 24-х зубая шестерня передает движение в две стороны на пять маленьких 8-ми зубых шестерней), открывают дверцы. И из них вылетает мусор прям на солнечные батареи. Таким образом, датчик наклона меняет свое положение и передает сигнал мотору, который и запускает автоматически платформу с очистительными устройствами (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Далее мы с командой приступили к созданию ветрогенератора. С помощью рукоятки, трех угловых зубчатых (снизу: коническая 28-ми зубая шестерня передают вращение под углом черной конической 32-х зубой шестрене, она, также под углом, передает движение другой 28-ми зубой конической шестерне; сверху: коническая 28-ми зубая шестерня под углом передает движение черной 12-ти зубой шестерне) и осевых передач, лопасти нашей конструкции вращаются (Рисунок 3.2.3, Приложение).

При вращении лопастей, начинает вырабатываться энергия, которая отправляется в специальную трансформаторную будку. Там она копится, превращается в электрическую энергию и передается на карусели на детской площадке.

За количеством энергии в будке следит датчик расстояния. Он сообщает о наполненности и передает энергию на третий мотор, которые вращает карусели (Рисунок 3.2.4, Приложение).

Третий мотор передает энергию с помощью таких механических передач, как: понижающая зубчатая передача (ведущая маленькая 8-ми зубая шестерня передает движение на 8 различных по размеру шестерней, ведомой в данной передаче является средняя 24-х зубая шестерня) осевые передачи, угловые зубчатые передачи (состоят из конических 12-ти зубых шестерней и коронных 24-х зубых) и ременная передача (средний шкив передает движение с помощью ремня среднему шкиву).Благодаря данным механизмам на детской площадке весело вращаются две карусели (Рисунок 3.2.5, Приложение).

3.3 Программный код

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы. Обсуждая работу наших механизмов в проекте, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Для этого в программе мы использовали одновременный запуск с помощью одной клавиши и функции «передача сообщений», сразу всех программ.

Первая программа отвечает за движение первого мотора (установки, имитирующие загрязнение солнечных батарей). После того, как мы с помощью рукоятки откроем дверцу первой установки, она тут же передаст сигнал о движении датчика наклона, и с помощью мотора откроет дверцы второй установки. На солнечные батареи попадет «грязь».

Вторая программа, также ожидает изменения положения датчика наклона. После открытия дверцы, программа подождет 4 секунды и передаст сигнал второму мотору, который отвечает за движение платформы с очистительными установками. Платформа начнет свое поступательное движение влево-вправо, очищая при этом батареи. Данные движение она совершит 3 раза. После снова будет ожидать изменения положения датчика наклона.

Последняя программа отвечает за движение третьего мотора, который вращает карусели на детской площадке. С помощью рукоятки мы вращаем ветрогенератор, он вырабатывает энергию, которая попадает в будку. В будке она копится, и как только датчик расстояния видит, что энергии достаточное количество, он передает сигнал мотору. Мотор с максимальной мощность 10 секунд вращает карусели, и все ребята веселятся на детской площадке (Рисунок 3.3.1, Приложение).

Заключение

Познакомившись с понятием «электроэнергия», рассмотрев различные способы ее получения, мы узнали, что существуют два основных способа – это традиционный и альтернативный.

Все способы получения электроэнергии активно используются во всем мире и обеспечивают огромное количество территорий электроэнергией. Но в настоящее время люди все чаще стараются использовать именно альтернативные способы получения энергии, так как они считаются экологическими.

Нас с командой заинтересовал способ получения энергии с помощью солнца. Поэтому мы подробнее рассмотрели именно его.

Во время изучения информации мы выявили проблему в обслуживании солнечных батарей. Оказывается, что солнечные батареи очень часто загрязняются и от этого их эффективность снижается на 50 процентов!

Поэтому мы придумали решения данной проблемы – это автоматическое устройство для очистки солнечных батарей! Их можно установить на крыше дома, на солнечных станциях. Они без труда с помощью специальной щеточки, самостоятельно будут вовремя очищать солнечные батареи от пыли и грязи. Тем самым повышая эффективность их работы.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 1.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая, средняя, большая шестерни, рейка и шкив, рычаг. А также сложные механические передачи: понижающие и повышающие зубчатые передачи, угловые зубчатые передачи, реечная передача, осевая передача, ременная передача. Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWeDo 1.0, одновременно подключая к компьютеру 3 коммутатора, 3 мотора, 1 датчик наклона и 1 датчик расстояния.

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники

4. https://detskiychas.ru/rasskazy/rasskaz_electrichestvo_detyam/

5. https://ru.m.wikipedia.org/wiki/Генерация_электроэнергии

6. https://neftegaz-ru.turbopages.org/turbo/neftegaz.ru/s/tech-library/elektrostantsii/141447-gidroelektrostantsiya-ges/

7. https://xn----7sbaahnwfbbc6awl4aeiimht8a5b8opa.turbopages.org/turbo/xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/s/teplovaya-elektrostantsiya/

8. https://neftegaz-ru.turbopages.org/turbo/neftegaz.ru/s/tech-library/elektrostantsii/142467-atomnaya-elektrostantsiya-aes/

9. https://xn----7sbaahnwfbbc6awl4aeiimht8a5b8opa.turbopages.org/turbo/xn--80aaafltebbc3auk2aepkhr3ewjpa.xn--p1ai/s/geotermalnaya-elektrostantsiya-ustroystvo-i-printsip-rabotyi/

10. https://neftegaz-ru.turbopages.org/turbo/neftegaz.ru/s/tech-library/elektrostantsii/698962-vetroelektrostantsiya-ves/

11. https://multiurok.ru/index.php/blog/na-kamchatke-postroiat-prilivnye-elektrostantsii.html

12. https://neftegaz-ru.turbopages.org/neftegaz.ru/s/tech-library/elektrostantsii/141701-solnechnaya-elektrostantsiya/

13. https://obrazovanie-gid.ru/pereskazy1/sposoby-polucheniya-elektroenergii-kratko.html

14. https://obuchonok.ru/node/5457

15. https://nova-sun.ru/solnechnye-paneli/obsluzhivanie-solnechnyh-batarej

Приложение